CN109656269A - 一种无人机监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机监控系统，属于无人机技术领域，系统包括：巡航模块、通信链路模块、地面控制模块；其中所述巡航模块包括无人机，用于巡视指定区域及收集信息；所述无人机包括第一类无人机和第二类无人机，所述第一类无人机适用于监测包括有大面积水域的所述指定区域，所述第二类无人机适用于监测包括有大量遮挡物的所述指定区域；所述地面控制模块通过所述通信链路模块连接所述巡航模块，用于对所述无人机进行控制，以及接收和记录所述无人机收集的信息。本发明提供一种可以垂直起降的固定翼无人机，通过结合固定翼无人机的大范围监测功能与多旋翼无人机的灵活性，在不同环境下实现监测工作。

Description

一种无人机监控系统

技术领域

本发明涉及一种无人机技术领域，尤其涉及一种无人机监控系统。

背景技术

随着经济发展，保护环境成为当下的主题，我国的城市河流每年会有成片的蓝藻、浮萍、水葫芦等有害水生植物形成，同时河道也经常遭到人为破坏，例如对沿岸设施的破坏、填河坝基的形成、有害垃圾的倾倒等，这些问题严重影响了河道的通航安全，同时也降低了河道水质，破坏了河道及周围的环境，需要高效可靠的手段对它们进行监测，以便及时采取跟进措施。

目前，对于河流的监测主要有三类方案：人工沿岸或巡查船监测、利用遥感卫星监测和使用无人机监测。

其中，人工沿岸或巡查船监测时主要靠肉眼观察，发现疑似问题区域后用手持设备拍照留档。主要的缺点是大部分水域沿岸徒步无法观察，而巡查船驶入部分水域时会面临较复杂的威胁，这会降低监测的安全性和完整性；同时巡查船可能会改变途径水域的流速或流向，使监测结果出现偏差；此外人工沿岸或巡查船观测的速度有限，面对大面积的水域监测要求，效率较低，需要投入大量人员、船只以及时间精力，成本较高。

遥感卫星监测方案中是利用卫星拍摄到的遥感影像分析水域的健康情况，但是这一方法的缺点是分辨率较低，只能识别出面积较大的疑似问题区域；更新频率较低，至少每隔3月能获取一次影像；此外岸边设施容易受到高大物体如树林绿化等的遮挡，无法被分析。

现有的无人机监测系统技术，使用单一的无人机，面对复杂情况，无法准确的实现监测工作，常常因为高大物体如树林绿化等的遮挡，而无法获取岸边设施得数据。

发明内容

根据现有技术存在的缺陷，现提供一种无人机监控系统，其特征在于，包括：巡航模块、通信链路模块、地面控制模块；

所述巡航模块包括无人机，用于巡视指定区域及收集信息；

所述无人机包括第一类无人机和第二类无人机，所述第一类无人机适用于监测包括有大面积水域的所述指定区域，所述第二类无人机适用于监测包括有大量遮挡物的所述指定区域；

所述地面控制模块通过所述通信链路模块连接所述巡航模块，用于对所述无人机进行控制，以及接收和记录所述无人机收集的信息。

优选的，所述的无人机监控系统，其中，所述第一类无人机为具有垂直起降固定翼的无人机。

优选的，所述的无人机监控系统，其中，所述第二类无人机为具有多旋翼的无人机。

优选的，所述的无人机监控系统，其中，所述巡航模块还包括所述无人机上的各个功能模块，具体包括：

动力单元，与所述无人机的供电单元相连，用于为无人机提供飞行所需的动力；

导航单元，连接所述供电单元，用于为无人机提供飞行时的导航信息；

飞行控制单元，分别连接所述动力单元和所述供电单元，用于对所述无人机的飞行状态进行控制并输出相应的控制指令，所述动力单元根据所述控制指令控制所述无人机飞行；

任务载荷单元，连接所述供电单元，用于在所述无人机飞行的过程中收集信息；

所述供电单元为所述无人机上各个所述功能模块的正常工作提供电力支持。

优选的，所述的无人机监控系统，其中，所述任务载荷单元包括：

摄像装置，用于在所述无人机飞行的过程中实时采集图像数据；

云台装置，用于承载所述摄像装置；

摄像处理器，连接所述摄像装置，用于对所述图像数据进行初步处理，并将处理后的数据远程发回所述地面控制模块。

优选的，所述的无人机监控系统，其中，所述地面控制模块包括：

控制单元，用于控制所述无人机的巡航轨迹；

指挥处理单元，分别连接所述控制单元和所述通信链路模块，用于根据外部输入的飞行计划向所述控制单元输出用于控制所述无人机进行飞行的控制指令，以及对所述无人机传输的信息进行处理，得到处理结果并反馈给操作人员。

优选的，所述的无人机监控系统，其中，所述控制单元包括：

无人机控制站，用于对所述无人机的飞行状态进行控制；

载荷控制站，用于对所述无人机上的所述任务载荷单元进行控制。

上述技术方案的有益效果是：

1)无人机几乎可飞达任意河道的上空实施监测，显著提高了监测的完整性；

2)监测时无需与目标河道接触或互动，排除了因实施监测而干扰结果的情况；

3)在监测大面积水域时，充分利用垂直起降固定翼无人机飞行速度快的特点，可显著提高效率并降低成本；

4)通过无人机，可以根据需求改变检测的距离，提高了分辨率；

5)提供垂直固定起降翼无人机和多旋翼无人机两种机型供选择，提高了检测系统的灵活性。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中，无人机监控系统示意图；

图2为本发明较佳实施例中，巡航模块示意图；

图3为本发明较佳实施例中，通信链路模块示意图；

图4为本发明较佳实施例中，地面控制模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

现有监测技术中，要么需要人工实际操作，人工需求量大，成本高，且结果不具有实时性；要么利用卫星系统进行监测，监测结果过于粗糙，对于细微部分无法实现监测；

而在现有的无人机监测技术中，监测无人机的选择比较单一，难以应对复杂或者突变的环境，而使得监测工作具有局限性。

为解决上述问题，本发明较佳实施例中，提供一种无人机监控系统，如图1所示，该系统包括：

巡航模块1连接于通信链路模块2，包括多架无人机，用于对监测区域进行巡视和采集实时数据；

通信链路模块2，分别连接于巡航模块1和地面控制模块3，负责在巡航模块1、地面控制模块3之间传输数据和控制信号等。所述通信链路模块2、巡航模块1和地面控制模块3一起构成一通信网络，其中通信链路模块2根据通信网络内的结点数量、连接和通信方式的不同，采用了不同的通信协议来保证通信正常工作。

地面控制模块3，通过通信链路模块2连接巡航模块1，所述无人机监控系统中始终位于地面的所有部分，用于巡航模块1中无人机11的任务规划、指挥调度、操作控制、显示记录和数据处理。

本发明较佳实施例中，上述巡航模块1还包括所述无人机11上的各个功能模块，如图2所示，具体包括：

动力单元111，与所述无人机的供电单元115相连，用于为无人机提供飞行所需的动力；

飞行控制单元112，分别连接所述动力单元111和所述供电单元115，用于对所述无人机11的飞行状态进行控制并输出相应的控制指令，所述动力单元根据所述控制指令控制所述无人机11飞行；

导航单元113，连接所述供电单元115，用于为无人机11提供飞行时的导航信息；

任务载荷单元114，连接所述供电单元115，用于在所述无人机11飞行的过程中收集信息；

所述供电单元115为所述无人机11上各个所述功能模块的正常工作提供电力支持。

本发明较佳实施例中，上述通信链路模块2如图3所示，具体包括空中链路单元21、第三方链路单元22、地面链路单元23，其中所述空中链路单元21连接第三方链路单元22，包括搭载在无人机11上的所有机载通信设备，具体有与导航单元113连接的接收、发射器和天线，与任务载荷单元114连接的接收、发射器和天线，以及与飞行控制单元112连接的接收、发射器和天线等，用于与第三方链路单元22之间实现双向通信；

上述第三方链路单元22分别连接空中链路单元21和地面链路单元23，包括定位通信卫星、地面GNSS接收机、用于传输预览数据和空管信息的GSM网络等，接收空中链路单元21的信息并发送至地面链路单元23或者接收地面链路单元23的信息并将该信息传送至空中链路单元21；

上述地面链路模块23包括所有位于地面上的通信设备，接收无人机11采集的信息及无人机11的飞行信息，并将地面控制模块中的控制信息发送出去。

本发明较佳实施例中，上述地面控制模块3如图4所示，具体包括：控制单元31、指挥处理单元32；

上述控制单元31包括无人机控制站311、载荷控制站312用于控制无人机及设置于无人机上的设备；

上述指挥处理单元32分别连接控制单元31和地面链路单元23，用于根据外部输入的飞行计划向控制单元31输出用于控制所述无人机11进行飞行的控制指令，以及对无人机11传输的信息进行处理，并将得到处理结果并反馈给操作人员。

进一步地，本发明较佳实施例中，上述无人机11包括两种类型的无人机，其一为具有垂直起降固定翼的无人机，用于监测大面积水域，该无人机的翼展2.6m、机身长度1.6m、最大起飞重量12kg，监测时飞行速度可达72km/h，单个架次飞行时间超过60分钟，单个架次可有效监测的河道长度超过50km，在监测时一般不能悬停，起飞前部署时间超过20分钟；

进一步地，上述垂直起降固定翼无人机中配备了两套独立的动力系统，一套包含了四组旋翼和电机，其产生的拉力使得所属的空中系统可垂直起降，实现固定翼无人机的垂直起降。另一套动力系统包含了一组旋翼和电机，其产生的拉力能使无人机向前平飞。两套动力系统由导航飞控系统控制并搭配使用，可使得所属的空中系统在垂直起降和平飞两种状态间自动切换；

上述垂直起降固定翼无人机中搭载有导航单元113和飞行控制单元112，其中导航单元113为一导航系统，用于为上述无人机提供给定参考坐标系下的位置、速度、飞行姿态等信息，引导所述无人机沿指定航线安全、准时、准确地飞行；飞行控制单元112为一飞行控制系统，用于控制无人按任务指定的路线飞行，或者在突发状况下，用于地面操作人员通过该飞行控制系统控制无人机。

上述导航单元113和飞行控制单元112包含各类传感器，常见的例如角速率传感器、姿态传感器、卫星导航设备、磁航向传感器、惯性测量单元、加速度传感器、迎角或侧滑角传感器、高度传感器和空速传感器等。此外导航飞控系统还包含伺服执行机构，通过调整舵面等操作，实现对飞行姿态的控制，最常见的伺服执行器就是舵机。

进一步地，上述垂直起降固定翼无人机上的供电单元115为电源、配电系统和用电设备。其中分别使用30000mAh 6S锂离子电池为前拉旋翼电机与航电设备供电，使用10000mAh 6S锂离子电池为四旋翼及关联设备供电，最后使用5300mAh 3S锂离子电池为任务载荷及关联设备供电。并在电气系统中引入多套子系统，可以消除空中系统各部分之间供配电的耦合关系，确保巡航模块各部分的能源供给安全、适配。

上述垂直起降固定翼无人机上的任务载荷单元114包括摄像装置、云台装置、摄像处理器。其中摄像装置为航摄摄像头，用于直接采集指定区域的视频和影像数据，根据现场环境因素如太阳高度角、云底高、空气质量等，以及监测区域的地形特征和飞行高度、速度等参数，在飞行前、飞行中需要调整航摄摄像头的快门时间、ISO、帧频等参数，以采集最优质的数据；云台装置能确保航摄摄像头的稳定性，并能带动航摄摄像头绕三轴调整到指定角度，其内部包含了固定装置、云台控制器、伺服驱动模块、独立传感器模块等；机载航摄数据处理器用于对航摄摄像头采集到的视频和影像数据进行预处理，例如定位信息的嵌入、视频数据的压缩、编码等。

进一步地，本发明较佳实施例中，上述的另一类无人机为多旋翼无人机，用于对有大量遮挡物的水域进行监测，该多旋翼无人机的轴距350mm、重量1388g的多旋翼无人机，该无人机监测时飞行速度可达50km/h，单个架次飞行时间超过15分钟，单个架次可有效监测的河道长度超过7km，在监测时可以悬停并垂直升降高度，起飞前10分钟内可完成部署；该多旋翼无人机的动力单元为四组旋翼和电机，其他设备均与上述垂直起降固定翼无人机保持一致。

进一步地，本发明较佳实施例中，还包括一用于接受空中交通管理的机载设备，对接中国民航局，该机载设备会独立收集无人机11飞行时的姿态、飞行位置等信息，并将该设备收集的信息连同实名注册信息实时上传至中国民航局授权的云系统，用于接受航空管理部门的空中交通管理。

进一步地，本发明较佳实施例中，上述无人机监控系统中，所有模块及单元均有备用，当主模块出现故障时，通过启用备用模块，继续维持无人机监控系统的正常运行。

综上所述，本发明较佳实施例中，所述无人机监控系统综合了固定翼无人机和多旋翼无人机的功能特点，使得该无人机监控系统可以在不同环境下实现监测功能。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人机监控系统，其特征在于，包括：巡航模块、通信链路模块、地面控制模块；

所述巡航模块包括无人机，用于巡视指定区域及收集信息；

所述无人机包括第一类无人机和第二类无人机，所述第一类无人机适用于监测包括有大面积水域的所述指定区域，所述第二类无人机适用于监测包括有大量遮挡物的所述指定区域；

所述地面控制模块通过所述通信链路模块连接所述巡航模块，用于对所述无人机进行控制，以及接收和记录所述无人机收集的信息。

2.如权利要求1所述的无人机监控系统，其特征在于，所述第一类无人机为具有垂直起降固定翼的无人机。

3.如权利要求1所述的无人机监控系统，其特征在于，所述第二类无人机为具有多旋翼的无人机。

4.如权利要求1所述的无人机监控系统，其特征在于，所述巡航模块还包括所述无人机上的各个功能模块，具体包括：

动力单元，与所述无人机的供电单元相连，用于为无人机提供飞行所需的动力；

导航单元，连接所述供电单元，用于为无人机提供飞行时的导航信息；

飞行控制单元，分别连接所述动力单元和所述供电单元，用于对所述无人机的飞行状态进行控制并输出相应的控制指令，所述动力单元根据所述控制指令控制所述无人机飞行；

任务载荷单元，连接所述供电单元，用于在所述无人机飞行的过程中收集信息；

所述供电单元为所述无人机上各个所述功能模块的正常工作提供电力支持。

5.如权利要求4所述的无人机监控系统，其特征在于，所述任务载荷单元包括：

摄像装置，用于在所述无人机飞行的过程中实时采集图像数据；

云台装置，用于承载所述摄像装置；

摄像处理器，连接所述摄像装置，用于对所述图像数据进行初步处理，并将处理后的数据远程发回所述地面控制模块。

6.如权利要求4所述的无人机监控系统，其特征在于，所述地面控制模块包括：

控制单元，用于控制所述无人机的巡航轨迹；

指挥处理单元，分别连接所述控制单元和所述通信链路模块，用于根据外部输入的飞行计划向所述控制单元输出用于控制所述无人机进行飞行的控制指令，以及对所述无人机传输的信息进行处理，得到处理结果并反馈给操作人员。

7.如权利要求6所述的无人机监控系统，其特征在于，所述控制单元包括：

无人机控制站，用于对所述无人机的飞行状态进行控制；

载荷控制站，用于对所述无人机上的所述任务载荷单元进行控制。